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程志海課題組發展和利用新型多頻靜電力顯微術實現二維原子晶體界面應變調控的成像研究

| 2020-09-24

网赌平台程志海教授、季威教授等與北京理工大學宇航學院、大阪大學工學院應用物理系等合作,發展和利用多頻靜電顯微術(Multiharmonic Electrostatic Force Microscopy, MH-EFM)、接觸共振原子力顯微術(Contact Resonance Atomic Force Microscopy, CR-EFM)等,成功實現了二維原子晶體界面應變調控結構與性質的成像研究。該成果于2020年9月發表在美國化學學會納米(ACSNANO)雜志上。

圖1 (a-c)二維材料在不同尺度下的俯視和側視圖。在宏觀與介觀尺度下,邊界不會影響材料的對稱性,薄膜對稱性由其幾何形狀決定,即具有六重對稱性。在納米尺度下,邊界和原子結構的對稱性導致薄膜的對稱性降低,即具有三重對稱性。(d)密度泛函理論(DFT)模擬的模型示意圖。(e-f)在外界各向同性的壓力下,不同區域(Zigzag和Klein區)體現出不同的位移、力學和電學特性。


Philip W. Anderson 認為:對稱性在物理學當中起著極其重要的作用。在凝聚態體系,對稱性破缺可以引發超導、磁性、鐵電等許多有趣的現象或性質等。在晶體中,無限大的體相晶體擁有高的對稱性,而對于實際的有限大晶體其平移對稱性將由于表面(對于二維晶體則是邊界)的存在而被打破,此時其原子結構特征會在表面或邊界表現出來。以石墨烯、過渡金屬硫族化合物為代表的二維原子晶體材料,在未來電子學領域具有重要的應用價值。具有六角晶格結構的二維材料,如MoS2、WS2等,一般具有各向同性的面內性質,其中心反演反對稱的性質,一般只能體現在倒空間相關的性質上,如Valley物理性質上。

我們通過研究發現,對于二維原子晶體在有限尺寸邊界、原子結構上中心反演反對稱以及各向同性的應力作用下,其原子尺度上的對稱性(中心反演反對稱)會擴展到介觀微米尺度并伴隨有力學、電學等的性質變化。這表明來源于原子尺度上的對稱性可以在實空間擴展到微米介觀尺度,也意味著我們可以通過原子尺度對稱性、有限尺寸下的形狀以及外界應力等的設計,進一步實現二維原子晶體性質的圖案化并用于微納光電子學器件等。


圖2 (a-b)多頻靜電力顯微術原理示意圖。(c-d)單層WS2單晶的光學與原子力顯微鏡形貌圖。(e-h)WS2表面電勢、載流子和拉曼成像圖。

程志海課題組一直致力于發展先進掃描探針顯微技術,并利用其在低維和表界面物理體系開展創新性研究工作。相關研究工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發專項以及中國人民大學研究基金等的資金支持。


文章標題:Atomically Asymmetric Inversion Scales up to Mesoscopic Single-Crystal Monolayer Flakes

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